На фоне возрастающего спроса на энергоресурсы, роста тарифов на них и сокращения запасов традиционных источников энергии особое значение приобретает вопрос об энергосбережении. Использование утилизации тепла сточных вод с целью сокращения затрат на горячее водоснабжение может стать источником серьезной экономии энергоресурсов в современных зданиях. На вопрос читателя о системах утилизации тепла сточных вод отвечает Нина Анатольевна Шонина, старший преподаватель МАрхИ.
Добрый день, скажите, пожалуйста, существуют ли системы утилизации тепла сточных вод, которые можно использовать в уже существующей системе канализации в здании без существенной реконструкции системы?
Нагрев воды для нужд горячего водоснабжения составляет 20–25% от общего потребления энергии в стандартном доме, и большая часть нагрузки приходится на подогрев воды для принятия ванны или душа. Стоимость горячей воды, как правило, занимает второе место в графе расходов на услуги ЖКХ в многоквартирных жилых зданиях, уступая по стоимости только расходам, затрачиваемым на отопление помещений. Исследования показали, что для гигиенических процедур человеку достаточно 1/10 части используемой в душе воды. Значит около 90% теплой воды, подводимой к смесителю душа, сливается в канализацию неиспользованной.
Кроме теплой воды от душей, свой вклад также вносят стиральные и посудомоечные машины, нагревающие воду с помощью электричества.
Утилизация и повторное использование большей части энергии сточной воды позволит сэкономить тепловую энергию, снизить общую стоимость горячей воды и, за счет снижения выбросов парниковых газов, благоприятно скажется на экологическом состоянии окружающей среды.
Объем канализационных стоков, производимых в огромных количествах большими городами, практически не изменяется в течение года. Температура сточных вод ниже температуры наружного воздуха в летнее время и выше в зимнее. Это делает их идеальным источником низкопотенциального тепла для использования в тепловых насосах. Различные приспособления, позволяющие утилизировать тепло сточных вод, разрабатываются и применяются уже около 30 лет. Самой распространенной системой является применение тепловых насосов, устанавливаемых на очистных станциях. Подобные системы централизованно собирают тепло сточных вод, это позволяет экономить большое количество энергии. В то же время специалисты по энергоэффективности говорят, что значительное количество тепловой энергии сточных вод в буквальном смысле уходят в землю. При транспортировке канализационных вод от зданий до очистных сооружений температура вод значительно снижается из-за того, что коллекторы предназначены для транспортировки вод, а не для сохранения их тепла. В связи с этим специалисты считают целесообразным утилизировать тепло сточных вод не только на очистных станциях, но и непосредственно в самом здании.
Система утилизации тепла сточных вод с тепловым насосом требует значительных капитальных вложений, также необходимо место для установки этого оборудования. Следовательно, назрела необходимость в такой системе утилизации сточных вод, которая обладала бы следующими свойствами:
невысокая первоначальная стоимость;
быстрая окупаемость;
возможность использования в уже существующей системе без кардинальной ее реконструкции;
простота использования, не нуждается в службе эксплуатации.
В Канаде была разработана система, удовлетворяющая вышеперечисленным требованиям. Новинка получила название Power-Pipe® DWHRSystem. Она представляет собой медную центральную трубу большого диаметра, которую обматывают медные трубы меньшего диаметра. Данная конструкция устанавливается вместо вертикального участка внутридомовой канализации. По трубе большего диаметра будут транспортироваться сточные воды, по трубам меньшего диаметра – холодная вода от источника водоснабжения к водонагревателю горячей воды. Таким образом будет осуществляться предварительный подогрев воды, идущей на нужды горячего водоснабжения, с помощью тепла сточных вод. Витки трубы меньшего диаметра сконструированы таким образом, чтобы потери давления воды в них были минимальны, это необходимо для того, чтобы мощности уже существующего насоса водоснабжения хватило для транспортировки воды, и не потребовалась бы замена насоса на насос большей мощности. Это привело бы к снижению энергоэффективности системы и дополнительным расходам средств заказчика.
Схема предварительного подогрева воды с помощью тепла сточных вод: А – устройство утилизации тепла сточных вод Power-Pipe™; В – водонагреватель; С – сточные воды, поступающие от ванных; D – ввод чистой водопроводной воды; Е – подача холодной воды на кухню; F – подогретая в утилизаторе холодная вода; G – подвод подогретой воды к водонагревателю; H – подача горячей воды от водонагревателя; J – выпуск канализации
Производительность Power-Pipe была проверена Институтом природных ресурсов Канады, университетом Ватерлоо. Для проверки эффективности система была построена в жилом многоквартирном доме, а также в одном из зданий университета. Исследования показали, что система длиной 60’’, смонтированная на участке стандартной для Канады канализационной трубы, позволяет поднять температуру входящей холодной воды от 10 °C до целых 24 °C, при прочих равных условиях потока. Данная система позволяет снизить затраты на приготовление горячей воды на 20–40% в зависимости от типа здания и его режима водопотребления. Данная система может применяться не только в жилых домах, но и в гостиницах, многофункциональных зданиях, ресторанах, образовательных учреждениях, спортивных сооружениях.
Благодаря низкой начальной стоимости и способности к восстановлению до 40% тепловой энергии, срок окупаемости данной системы обычно составляет от 3 до 4 лет. В ряде стран, где правительство финансово стимулирует владельцев зданий на внедрение энергосберегающих технологий, срок окупаемости может быть значительно уменьшен.
Работа системы основана на физическом принципе, называемом «эффект падающей пленки». Он заключается в том, что падающая вертикально по трубе вода не будет находиться в центре трубы, а будет перемещаться тонкой пленкой по внутренней поверхности трубы, в которую она заключена. Это позволяет максимально собрать тепловую энергию от сточной воды и передать через медную поверхность, известную своим высоким коэффициентом теплопроводности, водопроводной воде.
Данная система может быть установлена одним из трех способов. Первый, рекомендуемый производителем, способ, который обеспечивает максимальную экономию энергию,– это пропуск через систему всего потока водопроводной воды, идущей на нужды и горячего, и холодного водоснабжения. Такой способ получил название «конфигурация с применением равного потока». При необходимости в холодной воде можно сделать отдельную линию холодной воды (не нагретой предварительно на Power-Pipe) и подвести ее к кухонной раковине.
Второй вариант заключается в предварительном нагреве только той части воды, которая идет затем к водонагревателю и используется на нужды горячего водоснабжения. Наконец, третий способ состоит в предварительном подогреве только той воды, которая затем используется в качестве холодной для душа. Любой из этих двух вариантов (известный как «неравный поток») уменьшит эффективность системы примерно на 25%.
Система обладает следующими свойствами:
проста в применении и доступна среднестатистическому пользователю;
экономит до 40% энергии, затрачиваемой на подогрев горячей воды в среднестатистическом доме;
срок окупаемости составляет от 2 до 6 лет;
снижает выброс парниковых газов газов почти на 1 т в год на семью из четырех человек;
не требует технического обслуживания: пассивная система не имеет движущихся частей;
является одним из технических решений, которое позволяет получить зданию, в котором оно применяется, сертификацию LEED.
Данный материал показывает, что не всегда энергоэффективные решения в сфере водоснабжения представляют собой сложные технические устройства. Данная система в настоящее время сертифицирована и применяется в Канаде и США. Будем надеятся, что и на нашем рынке в скором времени начнут появляться простые системы, позволяющие утилизировать тепло сточных вод.
Источник
5.1. Заполните пропуски в тексте. Конвекцией называется вид теплопередачи, при котором перенос энергии осуществляется струями газа или жидкости. В твердых телах конвекция происходить не может. Различают два вида конвекции: естественную (т.е. свободную) и вынужденную.
5.2. Рядом с рисунками напишите, в каких случаях изображена естественная (свободная) конвекция, а в каких – вынужденная.
5.3. Два одинаковых по размеру шара, изготовленных из различных материалов, помещают внутрь жидкости и оставляют в покое. Спустя некоторое время шар 2 всплывает, а шар 1 остается погруженным в жидкость полностью (см. рис.).
а) На рисунке изобразите силы, действующие на шары. б) Выберите правильный ответ. Как соотносятся между собой плотности жидкости (pж) и материалов (p1 и p2), из которых изготовлены шары? ✓ pж = p1; pж > p2
5.4. Дверь из теплого помещения открыли в холодный коридор. Стрелками покажите на рисунке направление движения потоков воздуха около верхней и нижней частей двери. Ответ поясните.
5.5. Почему, купаясь летом в открытых водоемах, часто можно обнаружить, что вода у поверхности теплее, чем на глубине? Ответ поясните. Нагретые слои воды вытесняются холодными, т.к. они менее плотные и поднимаются к поверхности.
Источник
Блог об энергетике
энергетика простыми словами
Путь тепла от источника до потребителя
В этой статье я хочу рассказать про путь, который проделывает тепловая энергия от источника (в данной статье это котельная) до потребителей.
Перед прочтением рекомендую посмотреть статью о системах теплоснабжения. В ней есть наглядные схемы — они помогут вам лучше понять принцип.
Подготовка воды
Фильтрация и умягчение
В качестве теплоносителя используется вода. Перед тем как ее нагреть и отправить потребителям, воду нужно подготовить. Подготовка заключается в очистке от механических примесей, умягчении и удалении газов.
Na-катионитовые фильтры для умягчения воды
Вода из природных источников довольно жесткая и при ее нагреве образуется накипь — это вы знаете сами, т. к. пользуетесь чайниками и стиральными машинами. Накипь, как известно, мешает передаче тепла.
Один из способов умягчения воды — катионирование. В общих чертах — это замещение ионов кальция и магния (ионы жесткости) ионами натрия или водорода.
На фото выше — Na-катионитовый фильтр. В него загружен катионит, проходя через который, вода умягчается.
Деаэрация воды
Это процесс удаления из воды коррозионно опасных газов: кислорода и углекислого газа.
Если в воде присутствует кислород и углекислый газ, особенно в большом количестве, то при нагреве скорость коррозии существенно возрастает. Коррозия в теплоснабжении — самая частая причина возникновения аварий.
Деаэратор — установка для дегазации воды
Вода подается в деаэрационную колонку. В ней поток разбивается на капли и струи (оттого деаэратор и называют струйным). Делается это для увеличения площади поверхности воды. Снизу подается пар, который нагревает воду до температуры выше температуры насыщения (102 — 104 °С для атмосферных деаэраторов). При этом из воды активно выделяется кислород и углекислый газ, которые отводятся из деаэратора в атмосферу.
После прохождения через деаэрационную колонку вода скапливается в аккумуляторном баке деаэратора, откуда подается на подпиточные насосы, которые в свою очередь закачивают ее в тепловую сеть для восполнения потерь или заполнения пустых участков.
Циркуляция и подогрев сетевой воды
Чтобы доставить теплоноситель потребителям на большие расстояния нужны насосы. Чем больше потребителей, тем больше насосов.
Устанавливаются они перед котлами, чтобы «протолкнуть» через них воду — котлы имеют значительное гидравлическое сопротивление, особенно многоходовые.
Сетевая вода, вернувшаяся от потребителей, поступает в насосы и подается в водогрейные котлы. На ТЭЦ подогрев происходит в сетевых подогревателях паром из теплофикационных отборов турбин. В сильные морозы, когда отборов не хватает, станции тоже включают водогрейные котлы.
Есть котлы маленькие, есть большие. На данном фото котлы ПТВМ-100, являющиеся довольно мощными. 100 — это номинальная производительность [Гкал/час].
100 Гкал — это ≈38 462 палки докторской колбасы… в час.
Вода проходит по трубам (экранам) котла и воспринимает тепло от факела через стенки труб (радиационный теплообмен). Для повышения эффективности использования топлива в котлах есть конвективная часть (от термина «конвекция» или «конвективный теплообмен»). В ней тепло передается воде не от факела, а от горячих газов, являющихся продуктами сгорания топлива.
Тепло готово, пора отправлять.
Транспортировка тепла
Магистральные сети
Артерии тепловых сетей — магистрали. Это трубопроводы большого диаметра, по которым транспортируется теплоноситель. Они могут проходить как под землей, так и на эстакадах. В плане удобства эксплуатации и ремонта, конечно же, предпочтительней второй вариант, но это вредит эстетическому облику города.
Канальная прокладка тепловой сети
Помимо труб в тепловых сетях используется множество других элементов: арматура для отключения участков магистрали или вводов на квартала; компенсаторы тепловых расширений; дренажи для слива воды, воздушники для вытеснения воздуха при заполнении; опоры; и т. д.
Насосные станции
При транспортировке теплоносителя на большие расстояния, давление в сети снижается из-за гидравлического сопротивления. Для повышения давления используются насосные станции. Насосные также применяют при значительных перепадах высот рельефа местности.
Распределительные (квартальные) тепловые сети и центральные тепловые пункты (ЦТП)
На магистральных сетях есть ответвления или «врезки». Можно их называть и вводами на квартала. Теплоноситель заходит в квартал и, в зависимости от схемы теплоснабжения, поступает напрямую потребителям (зависимая схема теплоснабжения) или в тепловые пункты (независимая схема).
Кожухотрубчатые водо-водяные теплообменники в ЦТП
В теплообменниках происходит передача тепла для нужд горячего водоснабжения и отопления.
Сейчас стараются старые и громоздкие «бойлера» (на фото выше) заменить на более современные и компактные — пластинчатые.
После подогрева в центральном тепловом пункте вода по распределительным сетям подается в дома. Трубопроводы отопления и горячего водоснабжения проходят по одним каналам (лоткам). В случае, если система ГВС без циркуляции (однотрубная), то в канале «лежат» три трубы.
Состояние квартальных сетей в нашей стране печальное. Их много, а выделяемых на ремонт денег недостаточно. В последнее время, с повышением стоимости тепла ситуация начала меняться в лучшую сторону, но момент упущен — слишком долго не делалось почти ничего (90-е годы).
Царство «ЖЭУ»
Оборудование домовых систем отопления и горячего водоснабжения, в том числе индивидуальные тепловые пункты (ИТП), находится в ведении управляющих организаций. Это различные ЖЭУ, ТСЖ, УК и т. д.
Если в вашем доме установили ИТП, то теплоноситель из магистрали поступает напрямую в него. В нем подогревается вода для нужд ГВС и производится регулирование температуры теплоносителя, поступающего в батареи. Причем, регулирование осуществляется на основе показаний датчика температуры наружного воздуха.
Оборудование индивидуального теплового пункта
Как видите, все очень компактно. На переднем плане два пластинчатых теплообменника. Их может быть больше, они сами могут быть больше — все зависит от нагрузки (размера дома).
Плюс ИТП в его автоматизации — участие человека в регулировании не требуется. Минус — лень и кудрявые руки наладчиков. К сожалению, это не редкость.
А это элеваторный узел системы отопления. От них тоже постепенно отказываются в пользу ИТП.
Элеватор предназначен для снижения температуры, поступающей в батареи до расчетной. Охлаждение происходит за счет подмешивания воды из обратного трубопровода (после батарей) в подачу. Конструкция проста и надежна, но не экономична, особенно при неправильной наладке.
Вот и все. Теперь вы не только знаете путь тепла в теории, но и немного представляете как это выглядит.
